TW202235807A - 位移檢測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明之位移檢測裝置(100)具備有標尺(1)、磁性檢測頭(2)、及檢測信號處理裝置(3)。檢測信號處理裝置(3)具備有運算處理部(35)、及濾波器處理部(36)。運算處理部(35)對數位值進行運算處理，並輸出標尺(1)之相對位移。濾波器處理部(36)對標尺(1)相對於磁性檢測頭(2)之相對速度的高低進行判別。當判定為相對速度低之情形時，濾波器處理部(36)則將藉由第1濾波器處理來自運算處理部(35)所輸出之相對位移所得之第1濾波器處理後位移加以輸出。當判定為相對速度高之情形時，濾波器處理部(36)則將藉由第2濾波器處理來自運算處理部(35)所輸出之相對位移所得之第2濾波器處理後位移加以輸出。第2濾波器比第1濾波器其階次為低。

Description

位移檢測裝置

本發明係關於對測定對象物之位移進行檢測之位移檢測裝置。

過去以來，已知有利用電磁感應現象對測定對象物之位移進行測定之位移檢測裝置。專利文獻1揭示有此種位移檢測裝置之位置檢測裝置。

專利文獻1之位置檢測裝置具備有磁性尺、對應於磁性尺之間距而輸出具有90゜相位差之2相正弦波的一對磁感測器、及解析度切換手段。於該位置檢測裝置中，根據從磁性尺之每1個間距之各感測器輸出峰值所運算出之每1個間距的中間值、與感測器輸出之比較結果進行運算，藉此可得到粗略之位置。又，使用2相經修正之標準化信號來進行三角函數逆運算，藉此可得到精確位置。位置檢測裝置將粗略位置與精確位置相加並輸出數位之位置信號。數位之位置信號依據開關所設定之解析度使該位置信號之各位元的資料朝向下位位元移位，藉此切換成所設定之解析度的數位位置信號並加以輸出。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利第3317410號公報

(發明所欲解決之問題)

在上述專利文獻1之構成中，解析度係藉由開關等而人為地被設定。因此，其存在有如下可改善的空間：相對於被設定為低解析度之情形，檢測精準度會下降，另一方面於被設定為高解析度之情形，當磁性尺與磁感測器之相對速度快時則檢測之追隨性會不足。

本發明係鑒於以上之實情所完成者，其目的在於提供可兼具高精準度與良好追隨性之位移檢測裝置。 (解決問題之技術手段及功效)

本發明所欲解決之問題係如以上所述，其次對用以解決該問題之手段及其功效進行說明。

根據本發明之態樣，可提供以下構成之位移檢測裝置。亦即，該位移檢測裝置對位移檢測方向之測定對象物的位移進行檢測。位移檢測裝置具備有標尺、感測頭、及信號處理運算裝置。於上述標尺沿著位移檢測方向隔著既定之檢測間距交替地排列有磁性應答部與非磁性應答部。上述感測頭具有輸出由正弦函數、餘弦函數、負正弦函數及負餘弦函數所表示之輸出信號之各者的至少4個磁檢測元件。上述磁檢測元件之輸出信號被輸入至上述信號處理運算裝置。上述信號處理運算裝置對上述標尺相對於上述感測頭之相對位移及上述相對位移之變化速度中至少一者進行運算並加以輸出。上述信號處理運算裝置具備有第1差動放大器、第2差動放大器、AD(交流-直流)轉換器、運算處理部、及濾波器處理部。上述第1差動放大器輸出可合成上述餘弦函數與上述負餘弦函數所得之第1交流信號。上述第2差動放大器輸出可合成上述正弦函數與上述負正弦函數所得之第2交流信號。上述AD轉換器將上述第1交流信號及上述第2交流信號轉換為數位值。上述運算處理部對上述數位值進行運算處理，並輸出上述標尺之上述相對位移。上述濾波器處理部對上述標尺相對於上述感測頭之相對速度的高低進行判別。當判定為上述相對速度低之情形時，上述濾波器處理部則將藉由第1濾波器處理來自上述運算處理部所輸出之上述相對位移而得之第1濾波器處理後位移，作為上述標尺的相對位移而加以輸出。當判定為上述相對速度高之情形時，上述濾波器處理部則將藉由第2濾波器處理來自上述運算處理部所輸出之上述相對位移而得之第2濾波器處理後位移，作為上述標尺的相對位移而加以輸出。上述第2濾波器較上述第1濾波器其階次較低。

藉此，可對應於感測頭與標尺之相對速度，而輸出可利用不同階次之濾波器進行處理所得到的位移。因此，其可兼具位移檢測裝置之追隨性與檢測精準度。

於上述之位移檢測裝置中，較佳係設為以下的構成。亦即，該位移檢測裝置之上述濾波器處理部，求取第1移動平均、第2移動平均、及第3移動平均之各者。上述第1移動平均相當於上述第1濾波器處理後位移。上述第2移動平均相當於上述第2濾波器處理後位移。上述第3移動平均相當於可藉由第3濾波器處理來自上述運算處理部所輸出之上述相對位移而得之第3濾波器處理後位移。上述第3濾波器較上述第1濾波器其階次較低且較上述第2濾波器為高。上述濾波器處理部使用上述第1移動平均與上述第3移動平均之差分、及上述第1移動平均與上述第2移動平均之差分中之至少一者，而對上述標尺相對於上述感測頭之相對速度的高低進行判別。

藉此，其可更正確地進行對標尺相對於感測頭之相對速度的判別。

於上述位移檢測裝置中，較佳係設為以下的構成。亦即，上述濾波器處理部求取第1移動平均、及第2移動平均之各者。上述第1移動平均相當於上述第1濾波器處理後位移。上述第2移動平均相當於上述第2濾波器處理後位移。上述濾波器處理部使用上述第1移動平均與上述第2移動平均之差分，而對上述標尺相對於上述感測頭之相對速度的高低進行判別。

藉此，其可藉由簡單之處理進行對標尺相對於感測頭之相對速度的判別。

於上述位移檢測裝置中，較佳係上述運算處理部藉由arctan(反正切)運算來算出上述標尺之位移。

藉此，其可藉由簡單之運算來得到位移。

其次，參照圖式對本發明之實施形態進行說明。圖1係表示本發明一實施形態之位移檢測裝置100構成的方塊圖。圖2係表示移動平均之例子的方塊圖。圖3係表示不同之濾波器段數之實驗結果的圖。圖4係圖3之實驗結果之一部分的放大圖。圖5係表示FPGA內之處理的方塊圖。圖6係概念性地說明與速度之高低相對應之移動平均濾波器之段數之選擇的曲線圖。

圖1所示之位移檢測裝置100被使用於為了對測定對象物之既定方向之位移進行檢測。於以下的說明中，其存在有將測定對象物之位移被檢測出之方向稱為位移檢測方向的情形。

所謂位移，係表示現在位置相較於基準位置(例如初始位置)變化多少程度之值。藉由以適當之方法來定義基準位置，亦可從位移來計算測定對象物之位置本身。因此，位移檢測裝置100可作為位置檢測裝置使用。

位移檢測裝置100主要具備有標尺1、磁性檢測頭(感測頭)2、及檢測信號處理裝置(信號處理運算裝置)3。

標尺1及磁性檢測頭2中之任一者被安裝於測定對象物。例如，標尺1被安裝於未圖示之可動構件，而磁性檢測頭2被安裝於作為測定對象物之未圖示之固定構件。可動構件可沿著與位移檢測方向平行之路徑直線地移動。

又，亦可為標尺1被安裝於作為測定對象物之固定構件，而磁性檢測頭2被安裝於可動構件。此外，亦可為標尺1與磁性檢測頭2之雙方分別被安裝於相互地進行相對位移之可動構件。於該情形時，位移檢測裝置100對測定對象物(即標尺1及磁性檢測頭2)之相對位移進行檢測。

標尺1係作為用以對測定對象物於該標尺1之長度方向之位移進行檢測的刻度未使用。標尺1以包含伴隨著可動構件之移動而磁性檢測頭2移動行程的方式，被形成為沿著與該移動行程平行之方向呈細長狀。標尺1既可被形成為細長之塊狀，亦可被形成為細長之棒狀。

標尺1具備有非磁性應答部11、及磁性應答部12。非磁性應答部11例如由不具有明顯之磁性的金屬、或不具有磁性之塑膠等的材料所構成。磁性應答部12例如由具有強磁性之金屬等構成。非磁性應答部11及磁性應答部12於標尺1之長度方向上交替地被排列。

磁性應答部12每隔預先所決定之檢測間距C0，沿著標尺1之長度方向被排列設置。磁性應答部12由於一邊形成既定之間隔一邊被排列配置，因此於相互鄰接之2個磁性應答部12之間形成有無磁性(或磁性相對較弱)的部分即非磁性應答部。因此，於磁性應答部12中，沿著標尺1之長度方向每隔檢測間距C0，交替地反覆出現磁應答性之有無或強弱。

磁性檢測頭2如圖1所示般，與磁性應答部12隔開既定間隔地被配置。當標尺1被形成為細長之棒狀之情形時，磁性檢測頭2被形成為例如筒狀，其設為可供標尺1插入筒孔之構成。但是，磁性檢測頭2之形狀並未被限定。磁性檢測頭2具備有一次線圈21、及複複數個二次線圈(磁檢測元件)22。二次線圈22於本實施形態中設有4個。再者，亦可省略一次線圈21。

一次線圈21被使用來產生交流磁場。若將頻率適當之交流電流流至一次線圈21，於其周圍則會產生方向及強度週期性地變化之磁場。如圖1所示，一次線圈21於磁性檢測頭2中被配置於較二次線圈22離標尺1遠之側的部分。

4個二次線圈22如圖1所示般，沿著與標尺1之長度方向平行之方向被排列配置。二次線圈22於磁性檢測頭2中，被配置於較一次線圈21接近標尺1之側的部分。藉由利用磁性應答部12所增強之磁場所誘發之感應電流，則流至4個二次線圈22。磁性檢測頭2對基於該感應電流之電氣信號(例如電壓信號)進行檢測並加以輸出。

如圖1所示，該4個二次線圈22於位移檢測方向上每隔預先所決定之單位間距C1被排列配置。該單位間距C1以在與前述之檢測間距C0之間存在既定關係之方式，根據檢測間距C0而被決定。若具體地說明則為如下式所示般，單位間距C1被設定為檢測間距C0之整數倍與檢測間距C0之1/4之和。 C1=(n+1/4)・C0 其中，n為整數。於本實施形態中，雖然n=0，但並不限定於此。

於以下的說明中，為了特定出該4個二次線圈之各者，而存在有自圖1所示之左側起，依序將該等稱為第1線圈22a、第2線圈22b、第3線圈22c及第4線圈22d之情形。

此處，對各二次線圈22所輸出之信號(例如電壓信號)簡單地進行說明。若將適當之頻率的交流電流流至一次線圈21，則於一次線圈21產生方向及強度週期性地變化之磁場。另一方面，於二次線圈22則產生阻礙線圈之磁場之變化用的感應電流。若於一次線圈21附近有強磁性體存在，該強磁性體則以增強一次線圈21所產生之磁場的方式發揮作用。強磁性體越接近一次線圈21，該作用則越大。

若注意磁性應答部12，隨著磁性檢測頭2自標尺1之長度方向一側朝向另一側相對的移動，一次線圈21及二次線圈22雖會接近該磁性應答部12，但在最為接近後便逐漸離開。在二次線圈22所產生之感應電流雖為交流電流，但其振幅之大小會因該二次線圈22與磁性應答部12之位置關係而不同。

磁性應答部12實際上因為每隔檢測間距C0而被排列配置，因此振幅大小的變化每隔檢測間距C0便會反覆。亦即，若以磁性檢測頭2之位置為橫軸，並以振幅之大小為縱軸，則振幅與位置之關係便成為以檢測間距C0為週期之週期曲線(具體而言正弦曲線y=sinθ)。只要可求取該θ，則可取得在重複單位之檢測間距C0中標尺1相對於磁性檢測頭2所在的位置。

但是，若以正弦曲線y=sinθ之1個週期來思考，則除了特殊情形以外，對應於y之θ之值會有2個，而不只僅限於1個。因此，於本實施形態中，以與最近之磁性應答部12之位置關係實質上各偏移檢測間距C0之1/4的方式，將二次線圈22隔開由上述之單位間距C1所決定之間隔而配置成4個。

如圖1所示，第1線圈22a、第2線圈22b、第3線圈22c、第4線圈22d之各者，由於相互地分開檢測間距C0之1/4的距離，因此輸出相位相互地偏移90°之電壓信號。亦即，於將第1線圈22a所輸出之電壓信號表述為cos+相之情形時，第2線圈22b輸出sin+相之電壓信號，第3線圈22c輸出cos-相之電壓信號，而第4線圈22d輸出sin-相之電壓信號。

檢測信號處理裝置3對第1線圈22a、第2線圈22b、第3線圈22c、第4線圈22d所輸出之電壓信號進行處理，算出標尺1相對於磁性檢測頭2之相對位移並加以輸出。

例如，檢測信號處理裝置3如圖1所示，具備有第1差動放大器31、第2差動放大器32、第1AD轉換器33、第2AD轉換器34、運算處理部35、及濾波器處理部36。

於本實施形態中，第1差動放大器31、第2差動放大器32、第1AD轉換器33、第2AD轉換器34係由構成檢測信號處理裝置3所具備之類比電路一部分的電路(或電子零件)所構成。運算處理部35及濾波器處理部36係藉由構成檢測信號處理裝置3之FPGA(場域可程式化陣列)等執行程式所實現。FPGA係Field Programmable Gate Array之簡稱。

第1差動放大器31可使用於用來放大第1線圈22a及第3線圈22c輸出之差分。第1差動放大器31將自第1線圈22a及第3線圈22c所輸出之電壓信號之差分放大，並作為第1交流信號y1加以輸出。

在將表示標尺1相對於磁性檢測頭2之位移的相位設為θ時，上述第1交流信號y1可以下式來表示。 y1=acosθ・sinωt

第2差動放大器32可使用於用來放大第2線圈22b及第4線圈22d之輸出的差分。第2差動放大器32將自第2線圈22b及第4線圈22d所輸出之電壓信號之差分放大，並作為第2交流信號y2加以輸出。

在將表示標尺1相對於磁性檢測頭2之位移的相位設為θ時，上述第2交流信號y2可以下式來表示。 y2=asinθ・sinωt

第1AD轉換器33及第2AD轉換器34分別可使用於用來將來自第1差動放大器31及第2差動放大器32之類比信號(第1交流信號y1及第2交流信號y2)之各者轉換為數位信號。第1AD轉換器33及第2AD轉換器34被電性連接於運算處理部35，而將轉換後之數位信號輸出至運算處理部35。

運算處理部35將數位信號之第2交流信號y2以第1交流信號y1進行除法運算。其結果，相當於tanθ之值。其後，運算處理部35求取計算結果之arctan之值。藉此，則可得到表示標尺1相對於磁性檢測頭2之位移之相位θ。θ嚴格來說雖為相位，但實質上表示標尺1相對於磁性檢測頭2之相對位移。因此，以下有將θ稱為位移之情形。

濾波器處理部36對運算處理部35所求取之位移θ(t)進行濾波器處理。濾波器處理部36例如被以移動平均濾波器構成。位移θ(t)所含之高頻成分，可藉由濾波器處理而自該位移θ(t)被除去。藉此，則可去除雜訊等。

濾波器處理部36可例如圖2所示般使用移位暫存器來構成。該移位暫存器具有將複數個暫存器串聯(cascade)連接之構成。在每次共通之移位時脈被輸入各暫存器時，表示位移θ(t)之資料則依次被傳送至下一個段落的暫存器。

如圖2所示，本實施形態之濾波器處理部36由4096段之移位暫存器所構成。因此，濾波器處理部36進行1段至4096段之移動平均處理。

4096段之移動平均濾波器處理後之值，可由下式來表示。其中，s為移位暫存器之移位週期。 θ1(t)=(θ(t)+θ(t-1・s)+θ(t-2・s)+…+θ(t-4095・s))/4096 於本實施形態中，該4096段之移動平均濾波器處理，相當於第1濾波器之處理。以下，存在有將θ1(t)之值稱為第1移動平均(第1濾波器處理後位移)之情形。

16段之移動平均濾波器處理後之值，可以下式來表示。 θ2(t)=(θ(t)+θ(t-1・s)+θ(t-2・s)+…+θ(t-15・s))/16 於本實施形態中，該16段之移動平均濾波器處理，相當於第2濾波器之處理。以下，存在有將θ2(t)之值稱為第2移動平均(第2濾波器處理後位移)之情形。

如已知者，AD轉換器之SN比(信號雜訊比；SNR：signal-to-noise ratio)通常以下述之數式模型來表示。其中，N為解析度。 SNR=6.02・N+1.76[dB] 因此，就理論而言，藉由進行4之n次方之移動平均處理，解析度則被改善n位元。例如，16段(=4之2次方)之移動平均，相較於無濾波器之值，其有效解析度提升2位元。4096段(=4之6次方)之移動平均，相較於無濾波器之值，其有效解析度提升6位元。

於圖3及圖4中，顯示標尺1相對於磁性檢測頭2自位置P1移動至位置P3後靜止，並進一步自位置P3移動至位置P2後靜止之情形時濾波器處理的效果。圖3之曲線圖係可藉由實驗而得者，曲線圖之一部分被擴大而顯示於圖4。於圖4中，無濾波器之感測器輸出則產生大振幅的擺動。

於圖4中，直覺地顯示藉由濾波器處理可有效地抑制擺動的內容。亦即，由於移動平均之段數越大，移動平均之值之擺動則越小，因此可得到SN比的較佳值。

另一方面，如圖3之下側所示，於標尺1移動時，移動平均之段數越大，可得到之移動平均之時間延遲則越大。例如，於將移位週期(取樣週期)s設為16 μs之情形時，進行移動平均16段之處理可得到之第2移動平均θ2(t)，則產生128 μs之時間延遲。進行移動平均4096段之處理可得到之第1移動平均θ1(t)，則產生32.768 ms之時間延遲。

如以上所示，雖然濾波器之段數越大，可得到之移動平均(濾波器處理後位移)之精準度越佳，但發生時間延遲則變大，追隨性越趨下降。因時間延遲所導致之位置檢測誤差，於標尺1以高速進行位移之情形時則特別大。

有關此點，於本實施形態之位移檢測裝置100中，依據標尺1相對於磁性檢測頭2實質上移動或靜止，以選擇要輸出之移動平均濾波器的段數。亦即，位移檢測裝置100因應於標尺1之相對移動速度，而輸出以不同濾波器段數處理所得之移動平均。

具體而言，如圖5所示般，在第1交流信號y1及第2交流信號y2之各者經偏移修正量加法運算、增益修正量乘法運算等之處理後，被輸入至運算處理部35。於運算處理部35中，藉由使用第1交流信號y1及第2交流信號y2進行arctan運算，來取得位移θ(t)。所得到之位移θ(t)在經間距合成等之處理後，被輸入至濾波器處理部36。

本實施形態之濾波器處理部36根據利用上述第1濾波器、第2濾波器及後述之第3濾波器之各者進行移動平均處理所得到之濾波器處理後位移，來判定標尺1相對於磁性檢測頭2是否在移動。

第3濾波器除了移動平均為2048段以外，與第1濾波器及第2濾波器相同。2048段可說是第1濾波器與第2濾波器之中間的段數。2048段之移動平均濾波器處理後之值，可以下式來表示。 θ3(t)=(θ(t)+θ(t-1・s)+θ(t-2・s)+…+θ(t-2047・s))/2048 於本實施形態中，該2048段之移動平均濾波器處理，相當於第3濾波器之處理。以下，存在有將θ3(t)之值稱為第3移動平均(第3濾波器處理後位移)之情形。

於本實施形態中，標尺1相對於磁性檢測頭2是否在移動或靜止的判定，係根據濾波器處理部36藉由適當的計算而對標尺1之相對速度係較高或較低來進行判定所得之結果。因此，所謂靜止之情形，係包含相對速度為零之完全靜止狀態、及雖非完全靜止狀態但相對速度極小之微速移動中的狀態。

濾波器處理部36於判定標尺1相對於磁性檢測頭2為靜止之情形時，選擇以第1濾波器進行移動平均處理所得到之第1移動平均(第1濾波器處理後位移)並加以輸出。

另一方面，濾波器處理部36於判定標尺1相對於磁性檢測頭2為在移動之情形時，選擇以第2濾波器進行移動平均處理所得到之第2移動平均(第2濾波器處理後位移)並加以輸出。

標尺1相對於磁性檢測頭2是否在移動之判定，例如圖5所示般進行。詳細而言，濾波器處理部36將作為第1移動平均與第3移動平均之差分的第1差分、及作為第1移動平均與第2移動平均之差分的第2差分之各者，與既定閾值進行比較。濾波器處理部36在第1差分及第2差分之任一者均小於閾值之情形時，則判定標尺1為靜止。另一方面，濾波器處理部36在第1差分及第2差分中之至少一者為閾值以上之情形時，則判定磁性檢測頭2為在移動。

於位移θ(t)已變化之情形時，3個移動平均中之第2移動平均最敏感地反應而產生變化，且反應依照第3移動平均、第1移動平均的順序變遲鈍。第1差分及第2差分係因時間延遲對應於移動平均段數的不同所造成之移動平均的差。由於位移θ(t)在標尺1之移動速度接近零之情形時幾乎不會變化，因此第1差分、第2差分皆變小。另一方面，由於位移θ(t)在標尺1之移動速度相當大之情形時則大幅地變化，因此第1差分、第2差分均變大。因此，濾波器處理部36可謂實質上係對標尺1相對於磁性檢測頭2之相對速度的高低進行判別。

磁性檢測頭2之相對速度之高低的判別方法並不限定於上述者。例如，其亦可僅根據第1差分及第2差分中之一者來進行判別。亦可藉由單純將第1移動平均與第2移動平均之差分與既定閾值進行比較來進行判別。亦可藉由求取適當之移動平均(例如第2移動平均)之當下值與既定時間前之值的差分，並將該差分與既定閾值進行比較來進行判別。

由濾波器處理部36所輸出之濾波器處理後位移，如圖5等所示，在經線性校正、預測運算等的後處理之後，被作為位置資訊而輸出。

如上所述，本實施形態之位移檢測裝置100如圖6所示，於標尺1相對於磁性檢測頭2之相對速度相對較小之情形時，將藉由4096段之移動平均處理所得之值作為檢測值加以輸出，並於標尺1之相對速度相對較大之情形時，將藉由16段之移動平均處理所得之值作為檢測值加以輸出。再者，於圖6中，雖被顯示為將相對速度本身與閾值直接進行比較，但此係為了方便而概念性地所說明者，其與實際的處理並不一定相同。

因此，本實施形態之位移檢測裝置100可兼具通常處於取捨關係之良好的追隨性及精準度。

如以上所說明，本實施形態之位移檢測裝置100對位移檢測方向之測定對象物之位移進行檢測。位移檢測裝置100具備有標尺1、磁性檢測頭2、及檢測信號處理裝置3。於標尺1，沿著位移檢測方向隔著既定之檢測間距交替地排列有磁性應答部12與非磁性應答部11。磁性檢測頭2具有輸出由正弦函數、餘弦函數、負正弦函數及負餘弦函數所表示之輸出信號之各者之至少4個二次線圈22。二次線圈22之輸出信號被輸入至檢測信號處理裝置3，檢測信號處理裝置3對標尺1相對於磁性檢測頭2之相對位移進行運算並加以輸出。檢測信號處理裝置3具備有第1差動放大器31、第2差動放大器32、AD轉換器(第1AD轉換器33及第2AD轉換器34)、運算處理部35、以及濾波器處理部36。第1差動放大器31輸出可合成餘弦函數及負餘弦函數而得之第1交流信號y1。第2差動放大器32輸出可合成正弦函數及負正弦函數而得之第2交流信號y2。AD轉換器將第1交流信號y1及第2交流信號y2轉換為數位值。運算處理部35對數位值進行運算處理，輸出標尺1之相對位移。濾波器處理部36對標尺1相對於磁性檢測頭2之相對速度的高低進行判別。濾波器處理部36於判別為相對速度低之情形時，將利用第1濾波器對自運算處理部35所輸出之相對位移進行處理可得之第1濾波器處理後位移，作為標尺1的相對位移並加以輸出。濾波器處理部36於判別為相對速度高之情形時，將利用第2濾波器對自運算處理部35所輸出之相對位移進行處理所得之第2濾波器處理後位移，作為標尺1的相對位移並加以輸出。第2濾波器之階次較第1濾波器為低。

藉此，可因應於磁性檢測頭2與標尺1之相對速度，輸出利用不同階次之濾波器進行處理所得之位移。因此，其可兼具位移檢測裝置100之追隨性及檢測精準度。

又，於本實施形態之位移檢測裝置100中，濾波器處理部36求取第1移動平均、第2移動平均、及第3移動平均之各者。第1移動平均相當於第1濾波器處理後位移。第2移動平均相當於第2濾波器處理後位移。第3移動平均相當於利用第3濾波器對自運算處理部35所輸出之相對位移進行處理可得之第3濾波器處理後位移。第3濾波器之階次較第1濾波器低且較第2濾波器高。濾波器處理部36使用第1移動平均與第3移動平均之差分即第1差分、以及第1移動平均與第2移動平均之差分即第2差分，而對標尺1相對於磁性檢測頭2之相對速度的高低進行判別。

藉此，其可更正確地對標尺1相對於磁性檢測頭2之相對速度進行判別。

但是，於本實施形態之位移檢測裝置100中，濾波器處理部36亦可構成為根據第1移動平均與第2移動平均之差分，來對標尺1相對於磁性檢測頭2之相對速度的高低進行判別。

於該情形時，其可藉由簡單之處理來進行對標尺1相對於磁性檢測頭2之相對速度的判別。

又，於本實施形態之位移檢測裝置100中，運算處理部35藉由arctan運算，來算出標尺1之位移。

藉此，其可藉由簡單之運算來得到位移。

以上，雖已對本發明較佳之實施形態進行說明，但上述之構成可如下作變更。

標尺1不限定於上述之構成，只要反覆出現互不相同之磁性質(磁性之強弱、所產生之磁場之方向等)，則可設為適當之構成。例如，磁性應答部12可藉由沿著該標尺1之長度方向交替地排列強磁性體與弱磁性體/非磁性體所構成。亦可藉由排列磁石之N極與S極，來實現磁性質之變化的反覆。

磁檢測元件亦可取代二次線圈22，而由印刷基板之導電圖案、霍爾元件等所構成。

只要二次線圈22可捕捉到與來自標尺1(磁性應答部12)之位移對應之變化，一次線圈21便可被配置於接近標尺1之側，且二次線圈22被配置於遠離標尺1之側。

運算處理部35亦可藉由計算tanθ以外之方法來獲得θ。具體而言，藉由公知之移位電路，第2交流信號y2之相位移位90°，被加算於第1交流信號y1。被加算後之信號可藉由周知之三角函數之加法定理而表示為asin(ωt+θ)。運算處理部35藉由測量該信號與基準交流信號asinωt之相位差(具體上為各信號與零交叉之時點之差)來得到θ。又，運算處理部35亦可藉由PD(相位數位；Phase-Digital)轉換來獲得θ。

濾波器處理部36中對標尺1之相對速度的判別，亦可非即時地進行。例如，既可隔著預先所設定之固定的時間間隔進行判別，亦可隔著對應於標尺1之相對速度而變化之時間間隔進行判別。

於上述實施形態中，自第1段至第16段為止之移位暫存器，由第1濾波器、第2濾波器、及第3暫存器所共用。第1段至第2048段之移位暫存器於第1濾波器及第3濾波器中共用。但是，移位暫存器亦可對每個濾波器獨立地設置。

只要滿足第2濾波器之階次較第1濾波器低之條件，第1濾波器及第2濾波器亦可使用移動平均濾波器以外之濾波器。只要滿足第3濾波器之階次較第1濾波器低且較第2濾波器高之條件，第3濾波器亦可使用移動平均濾波器以外之濾波器。

位移檢測裝置亦可取代標尺1之相對位移而輸出相對位移之變化速度、或者除了輸出標尺1之相對位移以外還輸出相對位移之變化速度。所謂相對位移之變化速度，實質上意指標尺1之相對速度。相對位移之變化速度可藉由計算標尺1之當下相對位移與既定時間前之相對位移的差而容易地得到。

於圖1及圖5中，關於未標示符號之處理(例如，圖5之偏移修正量加法運算、增益修正量乘法運算、間距計數產生、間距合成、線性校正、預測運算等處理)，亦可依據所使用的條件而適當地省略。

1:標尺 2:磁性檢測頭(感測頭) 3:檢測信號處理裝置(信號處理運算裝置) 11:非磁性應答部 12:磁性應答部 21:一次線圈 22:二次線圈(磁檢測元件) 22a:第1線圈 22b:第2線圈 22c:第3線圈 22d:第4線圈 31:第1差動放大器 32:第2差動放大器 33:第1AD轉換器 34:第2AD轉換器 35:運算處理部 36:濾波器處理部 100:位移檢測裝置

圖1係表示本發明一實施形態之位移檢測裝置之構成的方塊圖。 圖2係表示移動平均之例子的方塊圖。 圖3係表示不同之濾波器段數之實驗結果的圖。 圖4係圖3之實驗結果之一部分的放大圖。 圖5係表示FPGA(場域可程式閘陣列；Field Programmable Gate Array)內之處理的方塊圖。 圖6係概念性地說明與速度之高低對應之移動平均濾波器段數之選擇的曲線圖。

1:標尺

2:磁性檢測頭(感測頭)

3:檢測信號處理裝置(信號處理運算裝置)

11:非磁性應答部

12:磁性應答部

21:一次線圈

22:二次線圈(磁檢測元件)

22a:第1線圈

22b:第2線圈

22c:第3線圈

22d:第4線圈

31:第1差動放大器

32:第2差動放大器

33:第1AD轉換器

34:第2AD轉換器

35:運算處理部

36:濾波器處理部

100:位移檢測裝置

Claims (4)

1. 一種位移檢測裝置，係對位移檢測方向之測定對象物之位移進行檢測者；其特徵在於，其具備有： 標尺，其沿著位移檢測方向隔著既定之檢測間距交替地排列磁性應答部與非磁性應答部； 感測頭，其具有輸出由正弦函數、餘弦函數、負正弦函數及負餘弦函數所表示之輸出信號各者之至少4個磁檢測元件；以及 信號處理運算裝置，其被輸入上述磁檢測元件之輸出信號，來算出上述標尺相對於上述感測頭之相對位移及上述相對位移之變化速度中之至少一者並將其輸出；且 上述信號處理運算裝置具備有： 第1差動放大器，其輸出合成上述餘弦函數與上述負餘弦函數所得之第1交流信號； 第2差動放大器，其輸出合成上述正弦函數與上述負正弦函數所得之第2交流信號； AD轉換器，其將上述第1交流信號及上述第2交流信號轉換為數位值； 運算處理部，其對上述數位值進行運算處理，並輸出上述標尺之上述相對位移；以及 濾波器處理部，其對上述標尺相對於上述感測頭之相對速度的高低進行判別，而當判別上述相對速度為低之情形時，將藉由第1濾波器處理來自上述運算處理部所輸出之上述相對位移所得之第1濾波器處理後位移，作為上述標尺的相對位移而加以輸出，並當判別上述相對速度為高之情形時，將藉由階次較上述第1濾波器低之第2濾波器處理來自上述運算處理部所輸出之上述相對位移所得之第2濾波器處理後位移，作為上述標尺的相對位移而加以輸出。
2. 如請求項1之位移檢測裝置，其中， 上述濾波器處理部分別求取： 第1移動平均，其相當於上述第1濾波器處理後位移； 第2移動平均，其相當於上述第2濾波器處理後位移；及 第3移動平均，其相當於可藉由階次較上述第1濾波器為低且較上述第2濾波器為高之第3濾波器處理來自上述運算處理部所輸出之上述相對位移所得之第3濾波器處理後位移；且 使用上述第1移動平均與上述第3移動平均之差分、及上述第1移動平均與上述第2移動平均之差分中之至少一者，對上述標尺相對於上述感測頭之相對速度的高低進行判別。
3. 如請求項1之位移檢測裝置，其中， 上述濾波器處理部分別求取： 第1移動平均，其相當於上述第1濾波器處理後位移；及 第2移動平均，其相當於上述第2濾波器處理後位移；且 使用上述第1移動平均與上述第2移動平均之差分，而對上述標尺相對於上述感測頭之相對速度的高低進行判別。
4. 如請求項1至3中任一項之位移檢測裝置，其中， 上述運算處理部藉由arctan(反正切)運算來算出上述標尺之位移。

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